Автоматизация сварочных процессов

Э. А. Гладков, 
В. Н. Бродягин, 
Р. А. Перковский

Автоматизация 

сварочных процессов

Рекомендовано

Учебно-методическим объединением вузов 

по университетскому политехническому образованию 

в качестве учебника для студентов высших 

учебных заведений, обучающихся по направлению 

«Машиностроение»

2-е издание исправленное

УДК 621(075.8)
ББК 30.61
 
Г52

Рецензенты:

зав. кафедрой «Электронное машиностроение и сварка» СГТУ 

имени Ю.А. Гагарина, д-р техн. наук, профессор, Г. В. Конюшков;

зав.  кафедрой «Электронное машиностроение и сварка» 

Московского государственного университета 

приборостроения и информатики,

д-р техн. наук, профессор В. М. Ямпольский

Гладков, Э. А.

Г52

   

Автоматизация сварочных процессов : учебник / Э. А. Глад
ков, В. Н. Бродягин, Р. А. Перковский. – Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. – 421, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4642-1

Приведено описание основных элементов автоматики сварочных 

установок. Даны принципы построения и примеры реализации современных систем управления оборудованием и процессами дуговой, контактной и электронно-лучевой сварки. Рассмотрены системы 
управления пространственным положением источника нагрева относительно линии стыка, автоматизированные комплексы с микроконтроллерами и ЭВМ для управления качеством сварного соединения, 
а также проблемы роботизации дуговой и контактной сварки.

Для студентов высших учебных заведений. Учебник может быть 

полезен аспирантам и специалистам в области сварочного производства при выборе средств автоматизации.

УДК 621(075.8) 

 
 
 
 
 
 
 
 
ББК 30.61 

ISBN 978-5-7038-4642-1

© Гладков Э. А., Бродягин В. Н.,       
    Перковский Р. А., 2014
© Гладков Э. А., Бродягин В. Н.,       
    Перковский Р. А., 2017, с изменениями
© Оформление. Издательство МГТУ  
    им. Н. Э. Баумана, 2017

Предисловие

Вопросам автоматизации сварочных процессов уделялось и уделяется в настоящее время значительное внимание. Эти вопросы отражены в содержании ряда научно-технических программ страны 
на текущий период. Они рассматривались в качестве основных задач по ускорению научно-технического прогресса и развитию науки 
и связывались в первую очередь с широким внедрением автоматизированных систем управления в различных областях хозяйственной 
деятельности. Успешное решение указанных задач имеет важное значение и для дальнейшего развития всего сварочного производства.
Современные достижения в области микроэлектроники и вычислительной техники существенно продвинули технологические 
возможности разрабатываемого на их базе сварочного оборудования 
нового поколения.
К сожалению, вопросы автоматизации сварки в последние годы 
не нашли должного отражения в образовательных программах для дипломированных специалистов направления подготовки «Машиностроительные технологии и оборудование». Изданные учебные пособия 
по вопросам автоматизации сварочных процессов (Львов И. С., Гладков Э. А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. М.: Машиностроение, 1982; Автоматизация сварочных процессов / под ред. 
В. А. Лебедева, И. П. Черныша. Киев: Вища шк., 1986; Гладков Э. А. 
Управление процессами и оборудованием при сварке. М.: Изд. центр 
«Академия», 2006) позволили существенно улучшить подготовку выпускников вузов по специальности «Проектирование технологических 
машин и комплексов». Однако эти учебные пособия как по содержанию, 
так и по структуре не в полной мере соответствуют требованиям межвузовской программы курса «Автоматизация сварочных процессов».
Предлагаемое издание в достаточной степени отражает содержание указанной программы и допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебника для 
студентов высших учебных заведений.
В учебнике обобщен и систематизирован опыт создания систем 
автоматизированного сварочного оборудования и  систем управления, 
разработанных рядом ведущих организаций РФ и Украины, учтены достижения крупных зарубежных фирм по разработке современного сварочного оборудования, источников питания для сварки.

Предисловие
4

Содержательная часть материала построена на основе классификации объектов и систем управления сварочными процессами (приведена во Введении). 
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности «Оборудование и технология сварочного производства» направления подготовки «Машиностроение».
Книга может быть полезна студентам и преподавателям сварочных специальностей при подготовке лекционного материала 
по курсам «Автоматизация сварочных процессов», «Управление 
в технических системах», «Источники питания для сварки», при выполнении курсовых и дипломных проектов, проведении научно-исследовательских работ,  а также инженерно-техническим работникам и аспирантам, специализирующимся в области сварочного 
производства.

Введение

Сварка – прогрессивный метод создания неразъемных соединений металлов, сплавов и различных материалов.
Большие перспективы в развитии сварочного производства открывают механизация и автоматизация процесса сварки. Прогресс производства от внедрения этого направления возможен при комплексном 
подходе к решению задачи, затрагивающем все этапы сварочного производства – заготовительные, транспортные, загрузочные, сварочные, 
сборочные и отделочные операции. При механизации и автоматизации сварочного производства появляется возможность повышения 
производительности труда и качества продукции, сокращения численности обслуживающего персонала. Труд рабочего в этих условиях 
становится более содержательным и творческим, исключается «субъективный фактор» оператора.
При механизированном процессе независимо от степени механизации рабочий частично или полностью освобождается лишь 
от мускульных усилий, но полностью сохраняется его участие в процессе в связи с необходимостью выполнения функций контроля 
и управления.
Автоматизация сварки означает перевод сварочного оборудования на автоматический режим работы, внедрение в производство ряда устройств, действующих без участия человека.
Примером частичной механизации и автоматизации в сварке 
служит процесс дуговой сварки, в котором используются сварочные аппараты с постоянной и управляемой (принудительно) скоростью подачи электродной проволоки. В нем механизированы подача 
электродной проволоки, перемещение электрода вдоль линии свариваемого стыка, подача флюса (защитного газа); автоматизирован 
процесс регулирования напряжения дуги изменением по заданному 
закону скорости подачи электродной проволоки при отклонении напряжения дуги от номинального значения.
Доукомплектация сварочного аппарата системой слежения за линией стыка, средствами регистрации и контроля параметров режима позволяет перейти к стадии более полной автоматизации производственного процесса, когда сварка может выполняться без участия человека: 
за ним остаются лишь функции предварительной настройки процесса, 
включения оборудования и наблюдения за ходом процесса сварки.

Введение
6

Все устройства, действующие без непосредственного участия 
человека, можно подразделить на два класса: сварочные автоматы 
(или полуавтоматы) и автоматические системы (регуляторы). При использовании автоматов периодическая загрузка изделия, замена инструмента, контроль и подналадка выполняются по ходу работы или 
автоматически; останов требуется только для наладки. В случае применения полуавтоматов для повторения процесса, установки заготовки, 
снятия готового изделия и пуска необходимо вмешательство человека.
Автоматические системы (регуляторы) поддерживают неизменными или изменяют по заданному закону физические величины 
в технических устройствах или технологическом процессе без участия оператора-сварщика.
В последние годы применяют робототехнические комплексы – 
автоматы, характеризующиеся разнообразием выполняемых операций и значительной мобильностью.
Роботы – это универсальные автоматические манипуляторы 
с программным управлением, предназначенные для воспроизведения управляющих и двигательных функций человека, обладающие 
способностью к адаптации.
Автоматизированное и механизированное оборудование объединяют в группы. Одну из них представляет автоматическая линия – 
производственный участок, специализирующийся на выполнении 
одной или нескольких однотипных операций технологического процесса. Автоматическая линия состоит из группы станков-автоматов, 
объединенных общей системой управления и общими транспортными устройствами с единым темпом работы.
На заводах по производству автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин, вагонов, локомотивов, самолетов, товаров 
народного потребления в автоматических линиях в качестве станков-автоматов применяют автоматизированные машины для контактной сварки. Автоматизированные дуговые сварочные установки 
используют в поточно-механизированных и автоматических линиях 
по производству труб и изделий тяжелого машиностроения.
Известно несколько десятков способов сварки и их разновидностей. Даже неполное их перечисление убедительно показывает широкие технологические возможности этого процесса в разных отраслях 
машиностроения. Высокое качество работы сварочного оборудования напрямую связано с последними достижениями в области радиоэлектроники, электротехники, оптики, автоматики, микропроцессорной и вычислительной техники.

Введение
7

Способы сварки различаются по степени автоматизации: в одних случаях применены самоприспосабливающиеся системы (например, в дуговой и контактной сварке), в других – использована 
только механизация процесса, в третьих – сварка осуществляется 
полностью вручную.
Открытие В. И. Дятловым в 1942 г. явления саморегулирования 
дуги позволило создать и широко использовать простые и надежные 
сварочные установки с постоянной скоростью подачи электрода. 
Дальнейшей разработкой этого оборудования занимались Б. Е. Патон, В. К. Лебедев, Г. М. Каспржак, И. Я. Рабинович.
С 1950-х годов создатели сварочного оборудования стали широко применять методы теории автоматического управления и вычислительную технику. Начался период более полной автоматизации 
сварочных процессов, а затем и сборочно-сварочного производства. 
Учеными Б. Е. Патоном, К. К. Хреновым и другими исследователями 
начаты работы по изучению свойств различных систем автоматического регулирования дуговой сварки и сварки под флюсом.
В 1970–1080-е годы на дальнейшее развитие и широкое применение методов теории автоматического регулирования при проектировании автоматического сварочного оборудования оказали влияние 
работы Б. Е. Патона, Ф. А. Аксельрода, Б. Д. Орлова, А. С. Гельмана, 
В. К. Лебедева, П. Л. Чулошникова, Н. В. Подолы, Ю. А. Паченцева, 
Д. С. Балковца – в области контактной сварки; Б. Е. Патона, В. К. Лебедева, А. И. Чвертко, Н. С. Львова, Э. А. Гладкова, Э. М. Эсибяна, 
В. В. Смирнова и других – в области электродуговой, шлаковой 
сварки и наплавки; Ю. Н. Ланкина, В. М. Язовских, В. Я. Беленького, В. В. Башенко, В. Н. Ластовиря, О. К. Назаренко, В. А. Виноградова, В. А. Казакова, В. А. Лаптенка – в области электронно-лучевой 
сварки; Б. Е. Патона, Г. А. Спыну, В. А. Тимченко, Ф. А. Киселевского – в области роботизации дуговой и контактной сварки; Н. Н. Рыкалина, А. А. Углова, Н. В. Зуева, Р. Р. Абильситова, В. С. Голубева, 
А. Г. Григорьянца, Э. А. Гладкова, И. Н. Шиганова – в области лазерной сварки.
С 1980-х годов продолжены работы по оснащению сварочного 
оборудования следящими системами с электромагнитными и оптическими датчиками для автоматической ориентации электрода 
по линии стыка. Вклад во внедрение этого оборудования внесли работы Ю. А. Паченцева, Н. С. Львова, Э. А. Гладкова, Р. М. Широковского, Ш. А. Вайнера, Ф. А. Киселевского, В. В. Смирнова и других 
ученых.

Введение
8

Телевизионные системы для автоматической коррекции положения сварочной ванны относительно свариваемого стыка при 
электронно-лучевой сварке были разработаны М. Л. Лифшицем, 
Д. Д. Никифоровым и другими в середине 1980-х годов.
Новый методологический подход к анализу процессов в сварочном контуре как единой электрогидродинамической системе источник – дуга – сварочная ванна, в которой ванна рассматривается 
в качестве непосредственного объекта регулирования, предложен 
в 1977 г. Э. А. Гладковым. Он позволил в дальнейшем заложить основы проектирования автоматизированных систем управления сварочными процессами с применением ЭВМ.
Значительный вклад в разработку и внедрение автоматизированного сварочного оборудования в 1980–1990-е и последующие годы 
внесли Всесоюзный научно-исследовательский институт электросварочного оборудования (ВНИИЭСО) в г. Санкт-Петербурге (ныне 
Институт сварки России), Институт электросварки им. Е. О. Патона 
(ИЭС) в г. Киеве, ЦНИИТМАШ в г. Москве, Ржевское научно-производственное объединение «Электромеханика», Научно-исследовательский и конструкторский институт монтажной технологии 
(НИКИМТ) в г. Москве, МГТУ им. Н. Э. Баумана, НПО «Технотрон» 
в г. Чебоксарах, Псковский завод тяжелого электросварочного оборудования (ОАО «ПЗ ТЭСО»), Симферопольский электромашиностроительный завод (ПАО «СЭЛМА»).
В настоящее время серийный выпуск автоматизированного сварочного оборудования, инверторных источников питания с микропроцессорами в схеме управления налажен рядом зарубежных 
фирм: Lincoln Electrik, Miller (США), Cloos, EWM (Германия), 
ESAB (Швеция), Кemppi (Финляндия), Fronius (Австрия) и многими другими.
Эти разработки можно отнести  к сварочному оборудованию 
нового поколения, характеризующемуся быстродействием, многофункциональностью в решении технологических задач, гибкостью 
перестройки и выбором рабочих программ, удобством регулирования и визуализацией параметров режима сварки, малыми габаритами и высокой надежностью в работе.
Далее приведена классификация объектов и систем управления сварочными процессами (обозначения способов сварки и оборудования, указанные в скобках, соответствуют РД 03-614-03 – документа Национального аттестационного комитета по сварочному 
производству):

Введение
9

1. По геометрическим характеристикам изделия:
 
1.1. Тонкостенные (0...5 мм).
 
1.2. Толстостенные (более 5 мм).
 
1.3. Плоскостные (прямолинейные, криволинейные, короткие, протяженные).
 
1.4. Пространственные (поворотные, неповоротные).
2. По степени автоматизации: 
 
2.1. Ручная (РД, РАД и др.).
 
2.2. Механизированная (МП, МАДП и др.).
 
2.3. Автоматизированная и автоматическая (АФ, ААДП, ААД и др.).
3. По типу технологии:
 
3.1. Сварка плавлением:
 
 3.1.1. Дуговая:
 
  3.1.1.1. Неплавящимся электродом (РАД, ААД и др.).
 
  3.1.1.2. Плавящимся электродом (РД, МП, МАДП, АФ и др.).
 
  3.1.1.3. Плазменная (П).
 
 3.1.2. Лучевая:
 
  3.1.2.1. Электронно-лучевая (ЭЛ).
 
  3.1.2.2. Лазерная (Л).
 
 3.1.3. Гибридная (Л  ААДП).
 
3.2. Контактная:
 
 3.2.1. Сопротивлением (КСС, КТС и др.). 
 
 3.2.2. Оплавлением (КСО).
4. По режимам сварки:
 
4.1. Непрерывная.
 
4.2. Импульсная.
5. По уровню управления процессом:
 
5.1. Разомкнутые системы.
 
5.2. Замкнутые на объект системы.
6. По принципу построения систем регулирования и управления:
 
6.1. Системы стабилизации.
 
6.2. Следящие системы.
 
6.3. Программные системы.
 
6.4. Адаптивные автоматизированные и роботизированные комплексы.

Глава 1

Элементы автоматики сварочных установок

1.1. Классификация элементов автоматики

Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая теорию 
и принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека; в узком смысле – это совокупность 
методов и технических средств, исключающих участие человека 
в выполнении операций конкретного процесса.
Системы автоматики предназначены для получения информации о ходе управляемого процесса, ее обработки и использования 
при формировании управляющих воздействий на процесс. В зависимости от назначения различают:
• системы автоматической сигнализации, которые предназначены для извещения обслуживающего персонала о состоянии той или 
иной технической установки, о протекании того или иного процесса;
• системы автоматического контроля, которые без участия человека осуществляют контроль различных параметров, характеризующих работу какого-либо технического устройства или протекание 
какого-либо процесса;
• системы автоматического блокирования и защиты, которые 
служат для предотвращения возникновения аварийных ситуаций 
в технических агрегатах и установках;
• системы автоматического пуска и останова, которые обеспечивают включение, останов (а иногда и реверс) двигателей и приводов по заранее заданной программе;
• системы автоматического управления, которые предназначены для управления либо работой тех или иных технических систем, 
либо теми или иными процессами.
К важнейшим и наиболее сложным относят системы автоматического управления (САУ); все остальные перечисленные выше системы 
являются частными, как правило, более простыми вариантами САУ.
В современные САУ сварочным оборудованием входят следующие э л е м е н т ы  а в т о м а т и к и  (рис. 1.1): 
1) датчики;
2) устройства передачи сигналов;